DE10139396A1

DE10139396A1 - Integrierte Halbleiterschaltung mit einem Varaktor

Info

Publication number: DE10139396A1
Application number: DE10139396A
Authority: DE
Inventors: Marc Tiebout; Judith Maget
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-08-10
Filing date: 2001-08-10
Publication date: 2003-01-16
Also published as: WO2003017371A2; WO2003017371A3

Abstract

Mit integrierten Halbleiterschaltungen können VCO-Schaltungen (voltage controlled oscillator) gefertigt werden, die elektrische Schwinkreise enthalten, deren Schwingverhalten mithilfe eines Varaktors (2), d. h. eines Kondensators variabler Kapazität verändert werden kann. Integrierte Varaktoren (2) werden heute in MOSFET-Bauweise hergestellt, d. h. weisen eine Gate-Elektrode (3) und je eine Source- (6) und eine Drain-Implantation (7) auf, wobei letztere elektrisch kurzgeschlossen werden und gemeinsam mit dem Halbleitersubstrat unter der Gate-Elektrode (3) eine von zwei Kondensatorplatten bilden. Um das Kapazitätsverhältnis der maximalen Kapazität zur minimalen Kapazität eines solchen Varaktors (2) zu erhöhen, wird vorgeschlagen, die Source-/Drain-Implantationen (6, 7) in lateraler Richtung vollständig außerhalb der Grundfläche (8) des Schichtenstapels (5) der Gate-Elektrode (3) anzuordnen und das Halbleitersubstrat (1) unter der Gateoxidschicht (4) zwischen der Source-Implantation (6) und der Drain-Implantation (7) in lateraler Richtung homogen zu dotieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine integrierte Halbleiterschaltung, die einen auf einem Halbleitersubstrat angeordneten Kondensator aufweist, wobei der Kondensator als Varaktor mit einer veränderbaren Kapazität ausgebildet ist und eine Gate- Elektrode, die als Teil eines über einer Gateoxidschicht angeordneten Schichtenstapels ausgebildet ist, und je eine Source-Implantation und eine Drain-Implantation aufweist, wobei die Source-Implantation und die Drain-Implantation miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Datenübertragungsgerät, das eine Halbleiterschaltung aufweist.
Derartige Halbleiterschaltungen werden beispielsweise als VCO-Schaltungen eingesetzt, in denen das Schwingverhalten eines elektrischen Schwingkreises durch eine Veränderung der Spannung, mit der der Schwingkreis gesteuert wird, eingestellt wird. Ein solcher Schwingkreis heißt voltage controlled oscillator (VCO). VCO-Schaltungen werden beispielsweise im Mobilfunkbereich zum Senden oder Empfangen von Signalen eingesetzt.
VCO-Schaltungen können aus Kapazitäten und Induktivitäten gebildet werden, im einfachsten Falle durch einen LC-Schwingkreis aus einer Induktivität und einem Kondensator, die zueinander parallel geschaltet sind. VCO-Schaltungen enthalten Varaktoren, d. h. Kondensatoren, deren Kapazität variierbar ist. Dabei wird ausgenutzt, daß die Kapazität eines Varaktors vom Arbeitspunkt, d. h. von den an Gate, Drain und am Substrat anliegenden Spannungen abhängig ist. Durch eine Veränderung der Spannung, die an den Varaktor des VCO-Schaltkreises angelegt wird, wird die Kapazität des Varaktors und dadurch wiederum das elektrische Schwingverhalten, insbesondere die Resonanzfrequenz des Schwingkreises eingestellt.
Ein Maß für die Größe des Bereichs, über den die Kapazität eines Varaktors eingestellt werden kann, ist das Kapazitätsverhältnis, d. h. das Verhältnis der größtmöglichen Kapazität des Varaktors zu seiner kleinstmöglichen Kapazität. Dieses Kapazitätsverhältnis hängt von der Bauweise des integrierten Varaktors und von der für die Herstellung der Halbleiterschaltung verwendeten Technologie ab. In Fertigungsprozessen, mit denen Bipolar-Transistorschaltungen oder BiCMOS- Schaltungen (mit Bipolartransistoren und MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor) beiderlei Leitungstyps (pMOS und nMOS)) hergestellt werden, werden Varaktoren durch eigene Prozeßschritte als Diodenvaraktoren, d. h. als Kapazitätsdioden hergestellt.
In reinen CMOS-Prozessen (complementary MOS) kann der Übergang zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode eines Transistors als Kapazitätsdiode verwendet werden. Es kann aber auch die Kapazität der Gate-Elektrode gegenüber dem unter dem Gateoxid befindlichen Substratbereich einschließlich der Source- und der Drain-Elektrode als Varaktor eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die letztere Variante. Hierbei wird eine der zwei Kondensatorplatten durch die Gate-Elektrode gebildet. Das Gateoxid dient als Kondensatordielektrikum. Die zweite Kondensatorplatte wird durch das Halbleitersubstrat unter der Gate-Elektrode einschließlich der Source- und der Drain-Implantation gebildet, wobei die Source- und die Drain-Implantation miteinander elektrisch kurzgeschlossen werden. Ihr elektrisches Potential gegenüber dem des Substratkontakts für das Bulk-Material wird über eine Gleichspannung eingestellt. Mithilfe dieser Gleichspannung wird die Menge und Verteilung der unter der Gate- Elektrode angesammelten Ladungen verändert und so die Kapazität des Varaktors eingestellt.
Integrierte Halbleiterschaltungen mit in dieser Weise ausgebildeten Varaktoren sind bekannt. Der Vorteil solcher Schaltungen ist, das die Varaktoren durch dieselben Prozeßschritte wie Transistoren in MOSFET-Bauweise herstellbar sind. Insbesondere dann, wenn eine CMOS-Schaltung oder eine BiCMOS- Schaltung hergestellt wird, sind keine zusätzlichen Prozeßschritte zum Herstellen der Varaktoren erforderlich. Die Gate-Source-und-Drain-Elektroden der Transistoren sind in gleicher Weise in den Varaktoren ausgebildet. Erst durch die unterschiedliche Verschaltung, insbesondere durch das Kurzschließen der Source- und der Drain-Elektrode werden aus MOSFET-Strukturen Varaktoren.
Das Kapazitätsverhältnis von integrierten Varaktoren, die in einer den Transistoren entsprechenden Bauweise ausgebildet sind, ist begrenzt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der eingangs geschilderten integrierten Halbleiterschaltung das Kapazitätsverhältnis des Varaktors zu vergrößern. Gleichzeitig sollen Aufwand oder Kosten für die Herstellung der integrierten Halbleiterschaltung nicht erhöht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der gattungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung die Source-Implantation und die Drain-Implantation in lateraler Richtung vollständig außerhalb der Grundfläche des Schichtenstapels der Gate-Elektrode angeordnet sind, und daß das Halbleitersubstrat unter der Gateoxidschicht zwischen der Source- Implantation und der Drain-Implantation eine bis an diese beiden Implantationen heranreichende, in lateraler Richtung homogene Dotierung aufweist.

Heutige MOSFET-Transistoren besitzen außer der Source- und der Drain-Implantation weitere Implantationen, mit denen das elektrische Schaltverhalten der Transistoren optimiert wird. Insbesondere an den einander zugewandten Seiten der Source- und der Drain-Implantation werden schwächere Dotierungen gleichen Ladungsträgertyps wie die Source/Drain-Elektroden implantiert. Die hochkonzentrierten Source-/Drain-Implantationen werden um einen gewissen lateralen Abstand von der Grundfläche des Gate-Schichtenstapels entfernt angeordnet. Zu diesem Zweck werden Spacer, d. h. Seitenwandbedeckungen des Gate-Schichtenstapels durch Abscheidung und weitgehende Rückätzung einer Spacerschicht aufgebracht und die Source- /Drain-Implantationen erst nach der Fertigung der Spacer in das Halbleitersubstrat eingebracht, wobei die Spacer eine Dotierung der unmittelbaren Umgebung der Grundfläche des Gate- Schichtenstapels verhindern.

Die schwächeren, näher an die Grundfläche des Gate-Schichtenstapels heranreichenden Dotierungen werden vor der Fertigung der Spacer implantiert. LDD-Bereiche (lightly doped drain) dienen dazu, Feldstärkespitzen in Kanalgebieten von Transistoren und dadurch hervorgerufene heiße Ladungsträger zu vermeiden. LDD-Bereiche werden in kleinerem seitlichen Abstand zur Grundfläche des Gate-Schichtenstapels angeordnet, d. h. auf den Innenseiten der Source/Drain-Implantationen. Durch die schwach dotierten LDD-Bereiche werden größere Raumladungszonen ausgebildet, über welche anliegende Spannungen abfallen können; die elektrische Feldstärke wird geringer.

Ferner werden Pocket-Implantationen (oder je nach Implantationswickel Halo-Implantationen) unterhalb der LDD-Implantationen eingebracht, die aus Dotierstoffen entgegengesetzten Ladungsträgertyps wie die Source-/Drain-Implantationen bestehen. Sie dienen zur Optimierung von Transistorkennlinien.

Herkömmliche Varaktoren, die aus Transistorstrukturen gefertigt werden und lediglich mit einer unterschiedlichen Verschaltung der Elektroden versehen sind, weisen unter der Gateoxidschicht zwischen der Source-Implantation und der Drain- Implantation diese zusätzlichen LDD- und Pocket- Implantationen, zumindest aber die LDD-Implantationen auf. Durch diese Implantationen wird die Dotierstoffkonzentration unter dem Gateoxid in der Nähe der einander zugewandten Seiten der Source-/Drain-Implantationen erhöht. Pocket- Implantationen besitzen eine zu Source-/Drain-Implantationen und LDD-Implantationen entgegengesetzte Dotierung. Die Dotierung des Halbleitersubstrats unterhalb der Gate-Elektrode wird durch die LDD- und/oder Pocket-Implantationen daher in lateraler Richtung inhomogen.

Bei der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung ist der aus Transistorstrukturen gebildete Varaktor ohne diese zusätzlichen Implantationen ausgebildet. Dadurch ist die Dotierung des Halbleitersubstrats unterhalb der Gateoxidschicht zwischen der Source-Implantation und der Drain- Implantation in lateraler Richtung homogen. Der Bereich der lateral homogenen Dotierstoffkonzentration reicht bis an die Source-Implantation und die Drain-Implantation heran. Da die Source-Implantation und die Drain-Implantation in lateraler Richtung vollständig außerhalb der Grundfläche des Schichtenstapels der Gate-Elektrode angeordnet sind, erstreckt sich auch der Bereich der lateral homogenen Dotierung bis über die Seitenwände des Gate-Schichtenstapels hinaus. Er kann sich bis unter die Spacer oder noch darüber hinaus erstrecken.

Das Weglassen von Extension-Bereichen, d. h. der LDD- Implantationen und gegebenenfalls auch der Pocket- Implantationen hat zur Folge, daß das Kapazitätsverhältnis des Varaktors der erfindungsgemäßen integrierten Halbleiterschaltung vergrößert wird.

Bei der Herstellung von Varaktoren aus Transistorstrukturen, d. h. in "Transistorbauweise" wurde von der Erfahrung ausgegangen, daß Extension-Bereiche zwischen den Source- und Drain-Implantationen das Schaltverhalten der Transistoren verbessern, beispielsweise die Transistorperformance erhöhen. Im Laufe der Jahre wurden Implantationstiefen, laterale Abmessungen einzubringender Dotierungen, Abmessungen von Spacern, Implantationswinkel, Temperatur und Dauer von thermischen Behandlungen zur Diffusion implantierter Dotierstoffe und weitere Parameter im Hinblick auf das elektrische Schaltverhalten von Transistoren optimiert.

Es hat sich herausgestellt, daß das Verhältnis der maximalen Kapazität zur minimalen Kapazität eines Varaktors in Transistorbauweise erhöht wird, wenn die Extension-Bereiche nicht vorhanden sind. Es wird sowohl der Wert der maximal erreichbaren Kapazität erhöht als auch der Wert der kleinstmöglichen Kapazität verringert. Die Erhöhung der Kapazitätsverhältnisses ist um so stärker, je kürzer die Gate-Länge der als Varaktor eingesetzten Transistorstruktur ist. Insbesondere bei Gate-Längen unterhalb von 1 µm kann das Kapazitätsverhältnis deutlich vergrößert werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, daß sich die in lateraler Richtung homogene Dotierung des Halbleitersubstrats zwischen der Source-Implantation und der Drain-Implantation über die Mitte von Grundflächen von Spacern, welche Seitenwände des Schichtenstapels der Gate-Elektrode bedecken, hinaus erstreckt. Dieser Ausführungsform entsprechend wird ein besonders großer Abstand der Source- und der Drain- Implantation voneinander und von den Seitenwänden der Gate- Elektrode eingestellt. In diesem Bereich können sich bei gleichbleibenden Spannungen noch mehr Ladungsträger ansammeln, was die maximale Kapazität des Varaktors erhöht.

Eine erste alternative Ausführungsform sieht vor, daß die homogene Dotierung eine Kanaldotierung ist. Eine Kanaldotierung besitzt ein in vertikaler Richtung, d. h. in Richtung senkrecht zur Substratoberfläche inhomogenes Profil, ist jedoch in lateraler, parallel zur Substratoberfläche verlaufender Richtung innerhalb der Fläche, in die sie eingebracht ist, homogen.

Eine zweite alternative Ausführungsform sieht vor, daß die homogene Dotierung eine den Varaktor umgebende Wannendotierung ist. Die Dotierung einer p-Wanne oder n-Wanne ist in typischer Weise um ein bis drei Größenordnungen schwächer dotiert als der Kanalbereich einer Transistorstruktur. Das Weglassen der Kanaldotierung in denjenigen Transistorstrukturen, die als Varaktor verschaltet werden, hat eine Verringerung der minimalen Kapazität zur Folge, da aufgrund der geringeren Dotierung eine größere Raumladungszone mit geringer Kapazität gebildet wird. Da die maximale Kapazität nicht verringert wird, erhöht sich das Kapazitätsverhältnis des Varaktors.

In Varaktoren können ebenso wie in MOSFET-Transistoren die Source-/Drain-Implantationen mit Dotierstoffen entgegengesetzten Ladungsträgertyps (n; p) wie die den Varaktor umgebende Wannendotierung vorgesehen sein. Die Ausbildung zur Wanne entgegengesetzt dotierter Source-/Drain-Implantationen ist bei MOSFET-Transistoren sogar erforderlich.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht jedoch vor, daß die Source-Implantation und die Drain-Implantation aus Dotierstoffen gleichen Ladungsträgertyps wie die den Varaktor umgebende Wannendotierung gebildet sind. Beispielsweise kann ein Varaktor aus einer Transistorstruktur, dessen Source-/Drain- Implantationen p-dotiert sind (p-Kanal-Transistor), in einer p-Wanne angeordnet sein. Ebenso kann ein Varaktor mit n-dotierten Source-/Drain-Implantationen in eine n-Wanne eingebracht sein. Diese Ausführungsformen mit in gleicher Weise wie die Substratwanne dotierten Source-/Drain-Implantationen hat den Vorteil, daß zwischen dem Bulk-Material der Wanne und den Source-/Drain-Gebieten keine pn-Übergänge ausgebildet werden und daher der maximale Serienwiderstand zwischen diesen Schichten deutlich geringer ist. Die für die Funktionsfähigkeit eines MOSFET-Transistors erforderlichen pn-Übergänge sind bei einem Varaktor nicht erforderlich.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Halbleiterschaltung einen Transistor mit einem über der Gateoxidschicht angeordneten Gate-Schichtenstapel und je einer Source-Implantation und einer Drain-Implantation aufweist, wobei zwischen einander zugewandten Seiten der Source-Implantation und der Drain- Implantation des Transistors Extension-Implantationen vorgesehen sind und das Halbleitersubstrat zwischen den Extension- Implantationen in lateraler Richtung homogen dotiert ist.

Nach dieser Ausführungsform ist die Halbleiterschaltung vorzugsweise eine CMOS-Schaltung oder eine BiCMOS-Schaltung, die pMOS- oder nMOS-Transistoren zusätzlich zu den Varaktoren aufweist. Im Gegensatz zu den Varaktoren besitzen die MOSFET- Transistoren zwischen den Source- und Drain-Implantationen Extension-Implantationen. Eine solche Halbleiterschaltung wird dadurch hergestellt, daß die Implantationsmaske für das Einbringen der Extension-Implantationen so strukturiert wird, daß die Maskenöffnungen die Transistoren freilegen und die Maskenschicht die Varaktoren bedeckt. Ohnehin ist bei einer CMOS-Schaltung für die Transistoren unterschiedlichen Ladungsträgertyps jeweils eine eigene Maske erforderlich, so daß das Unterdrücken von Extension-Bereichen in den Varaktoren keine zusätzlichen Prozeßschritte erfordert. Die lateral homogene Dotierung der Transistoren reicht nur bis an die Innenseiten der Extension-Bereiche heran. Die Extension- Bereiche selbst befinden sich zwischen den einander zugewandten Seiten der Source- und der Drain-Implantationen, so daß die Dotierung des Halbleitersubstrats unter der Gateoxidschicht zwischen der Source- und der Drain-Implantation dort in lateraler Richtung nicht homogen dotiert ist. Hierdurch unterscheiden sich die Transistoren von den Varaktoren.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Extension-Implantationen LDD-Implantationen und Halo-Implantationen umfassen. LDD- Implantationen und Halo-Implantationen dienen zur Optimierung von Transistorkennlinien, insbesondere zur Vermeidung von Feldstärkespitzen.

Die Halbleiterschaltung ist vorzugsweise eine VCO-Schaltung (voltage controlled oscillator), die eine Induktivität aufweist, die zu dem Varaktor parallel geschaltet ist. Die Induktivität und der Varaktor bilden zueinander parallel geschaltet einen elektrischen Schwingkreis.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die VCO-Schaltung zwei Varaktoren aufweist, wobei die Source-/Drain-Implantationen des einen Varaktors mit den Source-/Drain-Implantationen des anderen Varaktors und miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind und die Gate-Elektroden beider Varaktoren an entgegengesetzte Anschlüsse der Induktivität angeschlossen sind. In einer solchen VCO-Schaltung werden äußere Einflüsse durch eine nachstehend anhand der Figuren beschriebene symmetrische Verschaltung zweiter Varaktoren kompensiert.

Die beiden Varaktoren einer solchen Schaltung können zudem Substrat-Anschlüsse aufweisen, die miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind. Sie dienen zur Kontaktierung der den Varaktor umgebenden Wanne.

Die Halbleiterschaltung kann ferner eine VCO-Schaltung sein, die einen Ringoszillator aufweist, der den Varaktor aufweist. Ringoszillatoren bestehen im wesentlichen aus zyklisch miteinander verschalteten Invertern. Durch die zyklische Verschaltung der Inverter und der durch die Inverter verursachten zeitlichen Verzögerungen elektrischer Signale entsteht ein elektrischer Schwingkreis. Die Inverter können in MOSFET- Bauweise gefertigt sein und daher jeweils einen erfindungsgemäßen Varaktor enthalten, mit dessen Hilfe sich die Frequenz des Schwingkreises einstellen läßt.

Eine Halbleiterschaltung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen kann als Taktgeneratorschaltung zum Erzeugen eines Taktsignals verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Datenübertragungsgerät bereitgestellt, dessen Halbleiterschaltung nach einer der vorgenannten Ausführungsformen ausgebildet ist. Das Datenübertragungsgerät kann insbesondere ein Mobilfunkgerät oder ein Gerät zur drahtgebundenen Kommunikation sein. Die Sende- oder Empfangsfrequenz eines solchen Geräts kann mithilfe der erfindungsgemäßen Halbleiterschaltung eingestellt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1, 2A bis 2C, 3A bis 3C und 4 beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Halbleiterschaltung mit einem Varaktor und einem Transistor,
die Fig. 2A bis 2C verschiedene Ausführungsformen des Varaktors aus Fig. 1,
die Fig. 3A bis 3C eine VCO-Schaltung in schematischer Darstellung,
die Fig. 3D eine andere VCO-Schaltung in schematischer Darstellung und
Fig. 4 den spannungsabhängigen Verlauf der Kapazität eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Varaktors.
Fig. 1 zeigt eine integrierte Halbleiterschaltung, die in einem ersten Flächenbereich einen Varaktor 2 und in einem zweiten Flächenbereich einen Transistor 20, einen MOSFET aufweist. Der Varaktor 2 und der MOSFET 20 sind in grundsätzlich gleicher Weise ausgebildet. Sie unterscheiden sich lediglich dadurch, daß die Source- und Drain-Implantationen 6, 7 des Varaktors 2 über schematisch dargestellte Kontaktleitungen 13 miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind und - gegebenenfalls zusammen mit dem den Varaktor umgebenden Bereich des Halbleitersubstrats - eine von zwei Kondensatorplatten des Varaktors bilden. Die andere Kondensatorplatte wird durch die Gate-Elektrode 3 gebildet, die als Teil des Gate- Schichtenstapels 5 aus einer oder auch mehreren Gateschichten bestehen kann. Die Gate-Elektrode 3 wird durch das Kondensatordielektrikum, d. h. durch die Gateoxidschicht 4 von der anderen Kondensatorplatte getrennt und ist durch die Kontaktleitung 14 elektrisch angeschlossen. Unterhalb der Gateoxidschicht 4 ist eine Kanaldotierung 9 eingebracht, die sich seitlich bis zu den Source-/Drain-Implantationen 6, 7 erstreckt und dazwischen in lateraler Richtung homogen dotiert ist. Die seitliche Erstreckung des Kanalbereichs 9 reicht über die Grundfläche 8 des Gate-Schichtenstapels 5 hinaus. Sie reicht bis unter die Grundflächen 11 von Spacern 10, die die Seitenwände 12 des Gate-Schichtenstapels 5 bedecken und dazu dienen, die Source-/Drain-Implantationen in ausreichendem Abstand von der Grundfläche 8 des Gate-Schichtenstapels 5 zu halten.
Der Transistor 20 unterscheidet sich in seiner Bauweise von dem Varaktor 2 lediglich dadurch, daß seine Source-/Drainimplantationen 16, 17 nicht elektrisch kurzgeschlossen sind, und daß zwischen diesen Implantationen Extension-Implantationen 18, 19 angeordnet sind. Die geometrischen Abmessungen dieser wie auch der übrigen Implantationen sind nicht maßstäblich gezeichnet. Die LDD-Bereiche 18 und die Halobereiche 19 sind schwächer dotiert als die Source-/Drainimplantationen, aber stärker als das Halbleitersubstrat und der Kanalbereich, so daß der Transistor 20 zwischen der Source- Implantation 16 und der Drain-Implantation 17 keine in lateraler Richtung homogene Dotierung aufweist. Dadurch unterscheidet er sich von dem Varaktor 2. Die Flächenbereiche der Halbleiterschaltung, in denen aus bereits geformten Gatestrukturen Varaktoren gebildet werden sollen, werden während des Einbringens der Extension-Implantationen 18 und 19 mit einer Maske abgedeckt, so daß nur die Transistoren diese Implantationen erhalten.
Die Fig. 2A bis 2C zeigen unterschiedliche Ausführungsformen des Varaktors aus Fig. 1. Gemäß Fig. 2A sind die Source-/Drain-Implantationen 6, 7 außerhalb der Grundfläche des Gate-Schichtenstapels 5 angeordnet. Ihre einander zugewandten Innenseiten befinden sich unterhalb der Grundfläche von Spacern 10, die die Seitenwände 12 des Gate-Schichtenstapels 5 und somit die der Gate-Elektrode 3 bedecken. Im Beispiel der Fig. 2A ist das Substrat eine schwach dotierte n-Wanne einer Konzentration von typischer Weise 10 ¹⁵/cm³, wohingegen die Source-/Drain-Implantationen Dotierstoffkonzentrationen zwischen 10²⁰ und 10²¹/cm³ aufweisen. Der in Fig. 1 dargestellte Kanalbereich ist in Fig. 2A nicht dargestellt, so daß der abgebildete Varaktor eine verringerte Kapazität besitzt, weil die Substratdotierung 9 um ein bis drei Größenordnungen schwächer ist als die Kanaldotierung 9 in Fig. 1.
Die Fig. 2B und 2C zeigen weitere Ausführungsformen eines Varaktors mit einem Kanalbereich. Fig. 2B zeigt einen Varaktor, dessen Source-/Drainimplantationen mit Dotierstoffen entgegengesetzten Leitungstyps (nämlich n-Dotierungen) wie die Substratwanne (eine p-Dotierung) dotiert sind. Dies entspricht der bei Transistoren üblichen Dotierung. Bei der in Fig. 2A dargestellten Ausführungsform jedoch sind, sofern ein vierter Anschluß, der Bulk-Anschluß, vorgesehen ist, Übergangswiderstände zwischen Source-/Drain-Implantationen 6, 7 und dem Halbleitersubstrat 9 wesentlich geringer als in Fig. 2B, wo zwischen dem p-dotierten Halbleitersubstrat und den stark n-dotierten Source-/Drain-Implantationen 6, 7 pn-Übergänge ausgebildet werden.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2C ist der Abstand der Source-/Drain-Implantationen 6, 7 zur Grundfläche des Gate- Schichtenstapels 5 noch größer. Hierbei erstreckt sich der Bereich der lateral homogenen Dotierung - hier mit zusätzlicher Kanaldotierung 9 - über die Mitte der Grundflächen 11 der Spacer 10 hinaus. Mit Hilfe eines in dieser Weise ausgebildeten Varaktors läßt sich bei hohen Spannungen eine besonders große maximale Kapazität einstellen. Der Grund liegt vermutlich darin, daß die Fläche des Halbleitersubstrats, auf der sich Ladungsträger unterhalb der Gateoxidschicht 4sammeln, größer ist als etwa bei den Ausführungsformen der Fig. 2A und 2B.
Die in den Fig. 2A bis 2C dargestellten Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft. Anstelle der dargestellten Ausführungsformen kann ein Varaktor ebenso als pMOS- Transistorstruktur in einer n-dotierten Wanne oder in einer p-dotierten Wanne ausgebildet sein. Ebenso können die unterschiedlichen Ausführungsformen hinsichtlich der Merkmale MOS- Bauweise (bzw. Wannendotierung), der seitlichen Anordnung der Source-/Drain-Bereiche sowie der Ausbildung oder Weglassung einer Kanaldotierung beliebig miteinander kombiniert werden.
Die Fig. 3A bis 3C zeigen schematisch eine VCO-Teilschaltung 21, die Bestandteil der integrierten Halbleiterschaltung ist. Die Halbleiterschaltung kann auch ausschließlich aus dieser Teilschaltung 21 bestehen. In Fig. 3A ist diese Teilschaltung 21 schematisch als Parallelschaltung einer Induktivität 22 und eines Kondensators mit einstellbarer Kapazität eines Varaktors 2 dargestellt.
Fig. 3B zeigt die Realisierung dieser Schaltung 21 mithilfe eines in MOSFET-Bauweise ausgebildeten Varaktors 2. Die Source- und Drain-Implantationen 6, 7 sind miteinander elektrisch kurzgeschlossen und über eine Gleichspannungsquelle 24, deren Spannung zur Einstellung der Varaktorkapazität veränderbar ist, mit einem Substrat- d. h. einem Bulk-Anschluß 23 verbunden. Die Anschlüsse für Source 6, Drain 7 und Substratwanne 23 sind mit dem unteren Anschluß der Induktivität 22 verbunden. Die Gate-Elektrode 3 ist mit dem oberen Anschluß der Induktivität 22 verbunden. Die Gleichspannungsquelle 24 dient dazu, das elektrische Potential zwischen den miteinander kurzgeschlossenen Source-/Drain-Elektroden und der Substratwannen einzustellen. Zusätzlich ist eine zweite Gleichspannungsquelle 26 vorgesehen. Die Varaktorkapazität kann mit einer dieser beiden Gleichspannungsquellen 24, 26 eingestellt werden.
Der Varaktor 2 und die Induktivität 22, die in einem äußeren Schaltkreis zueinander parallel geschaltet sind, bilden den elektrischen Schwingkreis 21. In Fig. 3C ist ein weiterer elektrischer Schwingkreis 21 dargestellt, der zwei Varaktoren 2a, 2b aufweist, die spiegelsymmetrisch zueinander angeordnet und so verschaltet sind, daß äußere Einflüsse wie elektromagnetische Felder oder Einflüsse aufgrund Verschiebungen des Substratpotentials nahezu kompensiert werden. Sämtliche Source- und Drain-Implantationen 6, 7 sind miteinander kurzgeschlossen und über eine Spannungsquelle 24 mit veränderbarer Gleichspannung gegenüber einem Massepotential vorgespannt. Aufgrund der symmetrischen Verschaltung, bei der die Gate- Elektrode 3 des ersten Varaktors 2a mit dem einen Anschluß 22a der Induktivität 22 und die Gate-Elektrode 3 des zweiten Varaktors 2b mit dem zweiten Anschluß 22b der Induktivität 22 verbunden ist, werden äußere Störeinflüsse kompensiert und beeinflussen die Einstellung der Resonanzfrequenz 21 daher kaum.
Das vorzugsweise Datenübertragungsgerät 25, das die erfindungsgemäße Halbleiterschaltung mit dem Schwingkreis 21 aufweist, ist beispielsweise ein Mobilfunkgerät 25 oder ein Gerät 25 zur drahtgebundenen Kommunikation. Die erfindungsgemäße Halbleiterschaltung 21 kann ferner als Taktgeneratorschaltung zur Erzeugung eines Taktsignals 27 verwendet werden.
Fig. 3D zeigt eine Halbleiterschaltung, die als VCO- Schaltung 21 ausgebildet ist, welche eine Ringoszillatorschaltung 24 umfaßt. Der Ringoszillator 24 besteht im wesentlichen aus drei zyklisch miteinander verschalteten Invertern 28. Durch die zyklische Verschaltung der Inverter 28 und der durch die Inverter 28 verursachten zeitlichen Verzögerungen elektrischer Signale entsteht ein elektrischer Schwingkreis. Die Inverter 28 sind in MOSFET-Bauweise gefertigt und enthalten jeweils einen erfindungsgemäßen Varaktor 2 enthalten, mit dessen Hilfe sich die Frequenz des Schwingkreises einstellen läßt.
Fig. 4 stellt bei festen Source-/Drain- und Substratspannungen die Varaktorkapazität (ausgedrückt in pF) eines pMOS- Varaktors bei einer Hochfrequenz von 1,96 GHz in Abhängigkeit von der Gatespannung V, d. h. von der Spannung zwischen dem Gate und den miteinander kurzgeschlossenen Source- und Drain- Implantationen dar. Die Kurve A zeigt den Verlauf der Kapazität eines Varaktors, der zwischen der Source- und der Drain- Implantation Extension-Bereiche, nämlich LDD-Bereiche und Halobereiche aufweist. Diese zusätzlichen Implantationen begrenzen die maximale Kapazität bei starken negativen Spannungen nach oben und die minimale Kapazität bei geringen Spannungen bzw. verschwindender Vorspannung nach unten. Das Verhältnis der maximalen erreichbaren Kapazität (von etwa 0,535 pF) zur minimalen Kapazität (von etwa 0,315 pF) ist folglich begrenzt.
Die gestrichelt dargestellte Kurve B zeigt den Kapazitätsverlauf für einen Varaktor ohne Extension-Bereiche. Das Kapazitätsverhältnis von der maximal erreichbaren Kapazität (von etwa 0,580 pF) zur minimalen Kapazität (von etwa 0,270 pF) ist deutlich größer.
Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Gestaltung von Varaktoren in integrierten Halbleiterschaltungen lassen sich mindestens Kapazitätsverhältnisse zwischen 3 und 30 realisieren.
Weitere Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich bei Anwendung der Kenntnisse und Fähigkeiten des Fachmanns. Bezugszeichenliste 1 Halbleitersubstrat
2 Varaktor
3 Gate-Elektrode
4 Gateoxidschicht
5 Schichtenstapel
6 Source-Implantation
7 Drain-Implantation
8 Grundfläche des Schichtenstapels
9 Substrat- bzw. Kanalimplantation
10 Spacer
11 Grundfläche des Spacers
12 Seitenwand des Schichtenstapels
13 Source-Drain-Kontaktleitung (schematisch)
14 Gate-Kontaktleitung (schematisch)
15 Gate-Elektrode des Transistors
16 Source-Implantation des Transistors
17 Drain-Implantation des Transistors
18 LDD-Bereich
19 Halo-Bereich
20 Transistor
21 VCO-Schaltung
22 Induktivität
23 Substratkontakt
24 regelbare Gleichspannung
25 Mobilfunkgerät

Claims

1. Integrierte Halbleiterschaltung, die einen auf einem Halbleitersubstrat (1) angeordneten Kondensator aufweist, wobei der Kondensator als Varaktor (2) mit einer veränderbaren Kapazität ausgebildet ist und eine Gate-Elektrode (3), die als Teil eines über einer Gateoxidschicht (4) angeordneten Schichtenstapels (5) ausgebildet ist, und je eine Source- Implantation (6) und eine Drain-Implantation (7) aufweist, wobei die Source-Implantation (6) und die Drain-Implantation (7) miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Implantation und die Drain-Implantation (6, 7) in lateraler Richtung vollständig außerhalb der Grundfläche (8) des Schichtenstapels (5) der Gate-Elektrode (3) angeordnet sind und daß das Halbleitersubstrat (1) unter der Gateoxidschicht (4) zwischen der Source-Implantation (6) und der Drain-Implantation (7) eine bis an diese beiden Implantationen (6, 7) heranreichende, in lateraler Richtung homogene Dotierung (9) aufweist.

2. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die in lateraler Richtung homogene Dotierung (9) des Halbleitersubstrats (1) zwischen der Source-Implantation (6) und der Drain-Implantation (7) über die Mitte der Grundflächen (11) von Spacern (10), die Seitenwände (12) des Schichtenstapels (5) der Gate-Elektrode (3) bedecken, hinaus erstreckt.

3. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die homogene Dotierung eine Kanaldotierung (9) ist.

4. Halbleiterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die homogene Dotierung eine den Varaktor (2) umgebende Wannendotierung (9) ist.

5. Halbleiterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-Implantation (6) und die Drain-Implantation (7) aus Dotierstoffen gleichen Ladungsträgertyps (n; p) wie die den Varaktor umgebende Wannendotierung (9) gebildet sind.

6. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltung einen Transistor (20) mit einem über der Gateoxidschicht (4) angeordneten Gate-Schichtenstapel (15) und je einer Source-Implantation (16) und einer Drain- Implantation(17) aufweist, wobei zwischen einander zugewandten Seiten der Source-Implantation (16) und der Drain- Implantation (17) des Transistors (20) Extension- Implantationen (18, 19) vorgesehen sind und das Halbleitersubstrat (1) zwischen den Extension-Implantationen (18, 19) in lateraler Richtung homogen dotiert ist.

7. Halbleiterschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Extension-Implantationen LDD-Implantationen (18) und Halo-Implantationen (19) umfassen.

8. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltung eine VCO-Schaltung (21) ist, die eine Induktivität (22) aufweist, die zu dem Varaktor (2) parallel geschaltet ist.

9. Halbleiterschaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die VCO-Schaltung (21) zwei Varaktoren (2a, 2b) aufweist, wobei die Source-/Drain-Imlantationen (6, 7) des einen Varaktors (2a) mit den Source-/Drain-Implantationen (6, 7) des an- deren Varaktors (2b) und miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind und die Gate-Elektroden (3) beider Varaktoren (2a, 2b) an entgegengesetzte Anschlüsse (22a, 22b) der Induktivität (22) angeschlossen sind.

10. Halbleiterschaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Varaktoren (2a, 2b) Substrat-Anschlüsse (23) aufweisen, die miteinander elektrisch kurzgeschlossen sind.

11. Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltung eine VCO-Schaltung (21) ist, die einen Ringoszillator (24) aufweist, der den Varaktor (2) aufweist.

12. Verwendung einer Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 als Taktgeneratorschaltung (25) zum Erzeugen eines Taktsignals (27).

13. Datenübertragungsgerät (25), das eine Halbleiterschaltung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildet ist.

14. Datenübertragungsgerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Datenübertragungsgerät ein Mobilfunkgerät (25) oder ein Gerät (25) zur drahtgebundenen Kommunikation ist.